專利名稱：一種用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。
對于無回轉(zhuǎn)軸或?qū)ΨQ中心的自由曲面光學(xué)透鏡，由于其三維型面的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外的自由曲面光學(xué)透鏡生產(chǎn)廠商均采用機械接觸式三坐標(biāo)測量機進(jìn)行透鏡加工過程中的檢測，該方法適用于有回轉(zhuǎn)軸非球面光學(xué)透鏡高精度干涉測量，但不適用于自由曲面光學(xué)透鏡的測量，其測量精度在光學(xué)透鏡加工測量領(lǐng)域是較低的，一般靜態(tài)測量誤差大于1μm，動態(tài)測量誤差大于2μm，且機械接觸測量模式容易損壞已加工好的透鏡光學(xué)表面，難以滿足光學(xué)成像和光學(xué)透鏡的高精度加工要求，是制約自由曲面光學(xué)透鏡加工精度進(jìn)—步提高的關(guān)鍵問題。
本發(fā)明的目的是提出一種用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法，解決上述自由曲面光學(xué)透鏡的高精度測量難題，為自由曲面光學(xué)透鏡的高精度加工提供測量保證，以滿足光學(xué)成像和光學(xué)透鏡的高精度加工要求。
本發(fā)明提出的用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法，包括以下各步驟1、將平行光源、刻繪有點陣圖像的點陣圖像輸入板、待測自由曲面光學(xué)透鏡、圖像輸出板組成光學(xué)成像系統(tǒng)，其中平行光源、刻繪有點陣圖像的點陣圖像輸入板、待測自由曲面光學(xué)透鏡、圖像輸出板自左至右依次同軸排列，其中的待測自由曲面光學(xué)透鏡作為主成像透鏡；2、使平行光源1產(chǎn)生平行于Z軸的平行光束，該平行光束將刻繪于圖像輸入板2上的點陣圖像垂直地投射到待測自由曲面光學(xué)透鏡上，形成平行于Z軸的入射光線矢量陣Til…Tin；3、入射光線矢量陣Til…Tim經(jīng)過待測光學(xué)透鏡變換后形成相應(yīng)的出射光線矢量陣Tol…Ton；4、測量圖像輸入板2上各點Pil(Xil，Yil，Zil)…Pin(Xin，Yin，Zin)與圖像輸出板4上對應(yīng)點Pol(Xol，Yol，Zol)…Pon(Xon，Yon，Zon)以及待測自由曲面光學(xué)透鏡上折射點在坐標(biāo)系中的空間位置(X，Y，Z)，并利用下式計算出位于待測自由曲面透鏡前后界的出射光線矢量陣Ton…Ton和入射光線矢量陣Til…Tin， Xln=Xin(5)Yln=Yin(6)Zln=0(7)上式中s是光線弧長，n是傳播介質(zhì)的折射率，在均勻介質(zhì)中n為常數(shù)，在非均勻介質(zhì)中則是空間坐標(biāo)的函數(shù)；5、在待測自由曲面透鏡的光學(xué)界面上任意入射的光線矢量Tim與經(jīng)過待測光學(xué)透鏡變換后形成相應(yīng)的出射光線矢量Tom滿足下式τm=1([no2-ni2+Tim·τm]1/2-Tim·τm)·(Tom-Tim)(8)]]>式中τm為待測透鏡光學(xué)界面上折射點的光學(xué)表面單位法線矢量τm(pmi，qmj，lmk)，nom、nim分別為待測透鏡光學(xué)前、后界面的折射率，將步驟4中測量出的待測透鏡前后界出射光線矢量陣Tom與入射光線矢量陣Tim代入上式可求出待測透鏡光學(xué)界面上折射點的光學(xué)表面單位法線矢量□m，即求出pm、qm、lm的值；6、已知待測透鏡光學(xué)界面上各點的光學(xué)表面單位法線矢量τ(pi、qj、lk)后，則可通過以下兩式求解出本發(fā)明的待測光學(xué)透鏡的整個三維曲面f(x，y，z)。 本發(fā)明的效果是1)．測量模式由說明書附圖可見，該測量方法為非接觸式光學(xué)測量方法，避免了損壞已加工好透鏡光學(xué)表面的可能性。
2)．測量精度由公式(5)可推導(dǎo)出該測量系統(tǒng)的單位測量長度上的測量誤差ε≈Δρ／H(11)其中Δρ為對輸出點陣圖像與輸入點陣圖像之間差異的測量精度，H為待測自由曲面光學(xué)透鏡與圖像輸出板4之間的距離，即當(dāng)Δρ=0．1mm，H=1000mm時，可獲得0．1μm／mm的測量精度，當(dāng)Δρ=0．1mm，H=5000mm時，可獲得0．02μm／mm的測量精度。由此可見，本測量方法所能達(dá)到的測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三坐標(biāo)測量機，完全滿足了自由曲面光學(xué)透鏡的高精度測量加工要求。
3)．測量效率該測量方法的測量效率極高，測量一塊彩色顯像管曝光臺用自由曲面校正透鏡僅需幾分鐘，而使用逐點測量的三坐標(biāo)測量機則需要20－30分鐘，且測量點數(shù)僅為本測量方法的二、三十分之一。
4)．適用范圍由測量原理可知，除了自由曲面光學(xué)透鏡外，本測量方法還適用于各種球面、非球面光學(xué)透鏡的高精度三維形面測量。
5)．測量系統(tǒng)成本與三坐標(biāo)測量機相比，由本測量方法構(gòu)建的測量系統(tǒng)的硬件成本較低，在十萬元人民幣以下。測量系統(tǒng)的硬件成本在四萬元人民幣左右，測量精度卻與上百萬美元的三坐標(biāo)測量機相當(dāng)。
6)．應(yīng)用前景本測量方法除了利用透射光線矢量形成輸出圖像外，還可以利用反射光線矢量形成輸出圖像，此時運用本測量方法可實現(xiàn)各種光學(xué)透鏡、反射鏡的高精度加工在線測量。


圖1是本發(fā)明的自由曲面測量系統(tǒng)原理圖。
圖1中，1是平行光源，2是圖像輸入板，3是待測透鏡，4是圖像輸出板。
下面介紹本發(fā)明的實施例。
為了驗證上述測量方法能夠適用于自由曲面光學(xué)透鏡的高精度測量，依照附圖1搭建了一臺簡易測量系統(tǒng)，該簡易測量系統(tǒng)以CCD攝像頭替代圖像輸出板4完成輸出點陣圖像的拾取，該測量系統(tǒng)對輸出點陣圖像與輸入點陣圖像之間差異的測量精度Δρ=0．1mm，待測自由曲面光學(xué)透鏡與輸出圖像接受屏之間的距離H=480mm，根據(jù)(11)式可計算出該測量系統(tǒng)的單位測量長度上的測量精度ε≈0．2 μm／mm。分別用它和高精度三坐標(biāo)測量機測量了一塊用于彩色顯像管生產(chǎn)線上的自由曲面校正透鏡，該透鏡的曲面面形是典型的無回轉(zhuǎn)軸自由曲面。表1和表2分別給出兩測量系統(tǒng)就該校正透鏡上同一測量區(qū)域(30mm×30nm)上的測量結(jié)果表1高精度三坐標(biāo)測量機測量數(shù)據(jù) 表2基于圖象變換測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù) 由以上兩表可以看出兩測量系統(tǒng)在校正透鏡列表設(shè)計點處的測量結(jié)果非常接近，在除了在距離校正透鏡中心(18，18)mm處有較大的差值3．2μm外，其它被測量點的差距都在3μm以內(nèi)。表1、2表明該簡易測量系統(tǒng)具有與高精度三坐標(biāo)測量機相當(dāng)?shù)臏y量精度，且其測量精度與在基于圖像變換測量原理中的測量精度預(yù)計分析吻合，因此就證實了基于圖像變換的測量方法能夠適用于自由曲面光學(xué)透鏡的高精度測量。
權(quán)利要求
1.一種用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)將平行光源、刻繪有點陣圖像的點陣圖像輸入板、待測自由曲面光學(xué)透鏡、圖像輸出板組成光學(xué)成像系統(tǒng)，其中平行光源、刻繪有點陣圖像的點陣圖像輸入板、待測自由曲面光學(xué)透鏡、圖像輸出板自左至右依次同軸排列，其中的待測自由曲面光學(xué)透鏡作為主成像透鏡；(2)使平行光源1產(chǎn)生平行于Z軸的平行光束，該平行光束將刻繪于圖像輸入板2上的點陣圖像垂直地投射到待測自由曲面光學(xué)透鏡上，形成平行于Z軸的入射光線矢量陣Til…Tin；(3)入射光線矢量陣TlI…Tin經(jīng)過待測光學(xué)透鏡變換后形成相應(yīng)的出射光線矢量陣Tol…Ton；(4)測量圖像輸入板2上各點Pil(Xil，Yil，Zil)…Pin(Xin，Yin，Zin)與圖像輸出板4上對應(yīng)點Pol(Xol，Yol，Zol)…Pon(Xon，Yon，Zon)以及待測自由曲面光學(xué)透鏡上折射點在坐標(biāo)系中的空間位置(X，Y，Z)，并利用下式計算出位于待測自由曲面透鏡前后界的出射光線矢量陣Tol…Ton和入射光線矢量陣Til…Tin， 上式中s是光線弧長，n是傳播介質(zhì)的折射率，在均勻介質(zhì)中n為常數(shù)，在非均勻介質(zhì)中則是空間坐標(biāo)的函數(shù)；(5)在待測自由曲面透鏡的光學(xué)界面上任意入射的光線矢量Tim與經(jīng)過待測光學(xué)透鏡變換后形成相應(yīng)的出射光線矢量Tom滿足下式τm=1([no2-ni2+Tim·τm]1/2-Tim·τm)·(Tom-Tim)····(8)]]>式中τm為待測透鏡光學(xué)界面上折射點的光學(xué)表面單位法線矢量τm(pmi，qmj，lmk)，nom、nim分別為待測透鏡光學(xué)前、后界面的折射率，將步驟4中測量出的待測透鏡前后界出射光線矢量陣Tom與入射光線矢量陣Tim代入上式可求出待測透鏡光學(xué)界面上折射點的光學(xué)表面單位法線矢量□m，即求出Pm、qm、lm的值；(6)已知待測透鏡光學(xué)界面上各點的光學(xué)表面單位法線矢量τ(pi，qj，lk)后，則可通過以下兩式即可求解出本發(fā)明的待測光學(xué)透鏡的整個三維曲面f(x，y，z)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于自由曲面光學(xué)透鏡三維型面測量的方法,首先組成光學(xué)成像系統(tǒng),使平行光源產(chǎn)生平行光束,該平行光束將刻繪于圖像輸入板上的點陣圖像投射到待測自由曲面光學(xué)透鏡上,形成入射光線矢量陣;測量圖像輸入板上各點與圖像輸出板上對應(yīng)點以及待測自由曲面光學(xué)透鏡上折射點在坐標(biāo)系中的空間位置,即可計算出待測曲面的空間點陣。本發(fā)明測量精度和測量效率高,適用范圍廣,系統(tǒng)成本低。
文檔編號G01B11/24GK1280294SQ00123470
公開日2001年1月17日 申請日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者馮之敬, 郭震宇, 趙廣木 申請人:清華大學(xué)